что называют самостоятельным разрядом

Учебники

Журнал «Квант»

Общие

Несамостоятельный и самостоятельный разряды в газах

Соберем электрическую цепь, содержащую источник тока, вольтметр V, амперметр A и две металлические пластины, разделенные воздушным промежутком (рис. 1).

Если поместить вблизи воздушного промежутка ионизатор D, то в цепи возникнет электрический ток. исчезающий с прекращением действия ионизатора. Рекомбинация ионов происходит и во время действия ионизатора, но при этом наступает динамическое равновесие между возникающими и рекомбинирующими ионами, когда число пар ионов в единице объема не изменяется.

Электрический ток в газе с несамостоятельной проводимостью называется несамостоятельным газовым разрядом.

График зависимости силы разрядного тока от разности потенциалов (напряжения) между электродами при неизменной интенсивности ионизатора — вольт-амперная характеристика газового разряда — приведен на рисунке 2. Интенсивность ионизации измеряется количеством ионов, возникших под действием ионизатора в единице объема пара за единицу времени. На графике можно выделить несколько характерных областей.

На участке 0a соблюдается закон Ома, затем пропорциональность нарушается (участок ab), и начиная с U_н сила тока не изменяется. Наибольшую силу тока, возможную при действии данного ионизатора, называют током насыщения I_нас. При токе насыщения все возникающие ионы долетают до электродов, не успев рекомбинировать. Значение силы тока насыщения определяется свойствами ионизатора. Для увеличения I_нас нужно увеличить интенсивность ионизации.

Рассмотрим участок cd. При достаточно больших напряжениях кинетическая энергия электрона возрастает настолько, что при его соударении с нейтральной молекулой газа от нее отщепляется внешний электрон. Это явление называется ударной ионизацией молекул газа. Разность потенциалов, которую должен пройти электрон в ускоряющем электрическом поле для того, чтобы приобрести достаточную для работы ионизации энергию, называют потенциалом ионизации. Освободившиеся электроны ускоряются в электрическом поле и в свою очередь ионизируют сталкивающиеся с ними нейтральные молекулы газа. Число электронов и ионов в газе лавинообразно растет, а вместе с ним растет и разрядный ток. При еще больших значениях напряжения ударную ионизацию вызывают и ионы. Теперь к обоим электродам движутся лавины: к катоду — положительная ионная, к аноду — электронная. Эти лавины обусловливают самостоятельную проводимость газа. Участок cd графика характеризует самостоятельный газовый разряд, который может существовать без внешнего ионизатора. Непрерывная убыль носителей тока, происходящая вследствие нейтрализации ионов у электродов, поглощения электронов анодом и рекомбинации ионов, восполняется в этом случае за счет электрического поля, а не за счет ионизатора.

При всяком самостоятельном разряде имеет место ионизация газа электронными ударами, но наличие только ионизации электронным ударом еще не приводит к самостоятельному разряду. Для существования самостоятельного разряда необходимо, чтобы в газе происходили и другие процессы, производящие новые электроны взамен ушедших на анод. Такими процессами могут быть вторичная эмиссия электронов с катода (выбивание электронов из катода разогнанными в электрическом поле положительными ионами), ионизация ионами и внутренняя фотоионизация (излучение, сопровождающее рекомбинацию ионов, может быть поглощено нейтральными атомами, в результате чего некоторые из них ионизируются).

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — C. 288-289.

Источник

Что называют самостоятельным разрядом

Рассмотренный выше процесс возникновения и образования лавин за счет ударной ионизации не утрачивает характера несамостоятельного разряда, т.к. в случае прекращения действия внешнего ионизатора разряд быстро исчезает.

Однако возникновение и образование лавины зарядов не ограничивается процессом ударной ионизации. При дальнейшем, сравнительно небольшом увеличении напряжения, на электродах газоразрядного промежутка, положительные ионы приобретают большую энергию и, ударяясь о катод, выбивают из него электроны, происходит вторичная электронная эмиссия. Возникшие свободные электроны на пути к аноду производят ударную ионизацию молекул газа. Положительные ионы на пути к катоду при электрических полях сами ионизируют молекулы газа.

Если каждый выбитый с катода электрон способен ускоряться и производить ударную ионизацию молекул газа, то разряд будет поддерживаться и после прекращения воздействия внешнего ионизатора. Напряжение, при котором развивается самостоятельный разряд, называется напряжением замыкания.

На основании сказанного, самостоятельным разрядом будем называть такой газовый разряд, в котором носители тока возникают в результате тех процессов в газе, которые обусловлены приложенным к газу напряжением. Т.е. данный разряд продолжается и после прекращения действия ионизатора.

Когда межэлектродный промежуток перекрывается полностью проводящей газоразрядной плазмой, наступает его пробой. Напряжение, при котором происходит пробой межэлектродного промежутка, называется пробивным напряжением. А соответствующая напряженность электрического поля носит название пробивная напряженность.

Рассмотрим условия возникновения и поддержания самостоятельного разряда.

При больших напряжениях между электродами газового промежутка ток сильно возрастает. Это происходит вследствие того, что возникающие под действием внешнего ионизатора электроны, сильно ускоренные электрическим полем, сталкиваются с нейтральными молекулами газа и ионизируют их. В результате этого образуются вторичные электроны и положительные ионы (процесс 1, рис. 8.4). Положительные ионы движутся к катоду, а электроны – к аноду. Вторичные электроны вновь ионизируют молекулы газа, и, следовательно, общее количество электронов и ионов будет возрастать по мере продвижения электронов к аноду лавинообразно. Это и является причиной увеличения электрического тока. Описанный процесс называется ударной ионизацией.

Однако ударная ионизация под действием электронов недостаточна для поддержания разряда при удалении внешнего ионизатора. Для этого необходимо, чтобы электронные лавины «воспроизводились», т.е. чтобы в газе под действием каких-то процессов возникали новые электроны. Это следующие процессы:

Источник

Что называют самостоятельным разрядом

Электрический разряд в газе.

Возьмём электрометр с присоединёнными к нему дисками плоского конденсатора и зарядим его (рис. 16.26, а). При комнатной температуре, если воздух достаточно сухой, конденсатор разряжается очень медленно.

Это показывает, что электрический ток, вызываемый разностью потенциалов в воздухе между дисками, очень мал. Следовательно, электрическая проводимость воздуха при комнатной температуре мала и воздух можно считать диэлектриком.

Теперь нагреем воздух между дисками горящей спичкой (рис. 16.26, б). Заметим, что стрелка электрометра быстро приближается к нулю, значит, конденсатор разряжается. Следовательно, нагретый газ является проводником и в нём устанавливается электрический ток.

Процесс прохождения электрического тока через газ называют газовым разрядом.

Ионизация газов.

При обычных условиях газы почти полностью состоят из нейтральных атомов или молекул и, следовательно, являются диэлектриками. Вследствие нагревания или воздействия излучением часть атомов ионизуется (рис. 16.27).

В газе могут образовываться и отрицательные ионы, которые появляются благодаря присоединению электронов к нейтральным атомам.

Процесс распада атомов и молекул на ионы и электроны называется ионизацией.

При комнатной температуре воздух является очень плохим проводником. При нагревании проводимость воздуха возрастает. Увеличение проводимости воздуха можно вызвать и иными способами, например действием излучений: ультрафиолетового, рентгеновского, радиоактивного и др.

Ионизация газов при нагревании объясняется тем, что по мере нагревания молекулы движутся всё быстрее и быстрее. При этом некоторые молекулы начинают двигаться так быстро, что часть из них при столкновениях распадается, превращаясь в ионы. Чем выше температура, тем больше образуется ионов.

Проводимость газов.

Механизм проводимости газов похож на механизм проводимости растворов и расплавов электролитов. Различие состоит в том, что отрицательный заряд переносится в основном не отрицательными ионами, как в водных растворах или расплавах электролитов, а электронами.

Таким образом, в газах сочетается электронная проводимость, подобная проводимости металлов, с ионной проводимостью, подобной проводимости водных растворов или расплавов электролитов. Есть ещё одно различие. В растворах электролитов образование ионов происходит вследствие ослабления внутримолекулярных связей под действием молекул растворителя (молекул воды). В газах образование ионов происходит либо при нагревании, либо за счёт действия внешних ионизаторов, например излучений.

Рекомбинация.

Если ионизатор перестанет действовать, то можно заметить, что заряженный электрометр снова будет сохранять заряд. Это показывает, что после прекращения действия ионизатора газ перестаёт быть проводником. Ток прекращается после того, как все ионы и электроны достигнут электродов. Кроме того, при сближении электрона и положительно заряженного иона они могут вновь образовать нейтральный атом. Схематически это изображено на рисунке (16.28).

Процесс образования из ионов и электронов нейтральных атомов и молекул называют рекомбинацией заряженных частиц.

В отсутствие внешнего поля заряженные частицы исчезают только вследствие рекомбинации, и газ становится диэлектриком. Если действие ионизатора не прерывается, то устанавливается динамическое равновесие, при котором среднее число вновь образующихся пар заряженных частиц равно среднему числу пар, исчезающих вследствие рекомбинации. Разряд в газе может происходить и без внешнего ионизатора.

Несамостоятельный разряд.

Для исследования разряда в газе при различных давлениях удобно использовать стеклянную трубку с двумя электродами (рис. 16.29).

Если действие ионизатора прекратить, то прекратится и разряд. Такой разряд называют несамостоятельным разрядом.

Пусть с помощью какого-либо ионизатора в газе образуется в секунду определённое число пар заряженных частиц: положительных ионов и электронов.

При небольшой разности потенциалов между электродами трубки положительно заряженные ионы перемещаются к отрицательному электроду, а электроны и отрицательно заряженные ионы — к положительному электроду. В результате в трубке возникает электрический ток, т. е. происходит газовый разряд.

Не все образующиеся ионы достигают электродов; часть их воссоединяется с электронами, образуя нейтральные молекулы газа. По мере увеличения разности потенциалов между электродами трубки доля заряженных частиц, достигающих электродов, увеличивается. Возрастает и сила тока в цепи. Наконец наступает момент, при котором все заряженные частицы, образующиеся в газе за секунду, достигают за это время электродов. При этом дальнейшего роста силы тока не происходит (рис. 16.30). Ток достигает насыщения.

Самостоятельный разряд.

Что будет происходить с разрядом в газе, если продолжать увеличивать разность потенциалов на электродах?

Казалось бы, сила тока и при дальнейшем увеличении разности потенциалов должна оставаться неизменной. Однако опыт показывает, что в газах при увеличении разности потенциалов между электродами, начиная с некоторого её значения, сила тока снова возрастает (рис. 16.31). Это означает, что в газе появляются дополнительные ионы помимо тех, которые образуются за счёт действия ионизатора. Сила тока может возрасти в сотни и тысячи раз, а число ионов, возникающих в процессе разряда, может стать таким большим, что внешний ионизатор будет уже не нужен для поддержания разряда. Если убрать внешний ионизатор, то разряд может не прекратиться.

Разряд, происходящий в газе без внешнего ионизатора, называется самостоятельным разрядом.

Ионизация электронным ударом.

Каковы же причины резкого увеличения силы тока в газе при больших напряжениях?

Рассмотрим какую-либо пару заряженных частиц (положительный ион и электрон), образовавшуюся благодаря действию внешнего ионизатора. Появившийся таким образом свободный электрон начинает двигаться к положительному электроду — аноду, а положительный ион — к катоду. На своём пути электрон встречает ионы и нейтральные атомы. В промежутках между двумя последовательными столкновениями кинетическая энергия электрона увеличивается за счёт работы сил электрического поля. Чем больше разность потенциалов между электродами, тем больше напряжённость электрического поля.

Кинетическая энергия электрона перед очередным столкновением пропорциональна напряжённости поля и длине l свободного пробега электрона (пути между двумя последовательными столкновениями):

Если кинетическая энергия электрона превышает работу A_i, которую нужно совершить, чтобы ионизовать нейтральный атом, т. е.

то при столкновении электрона с атомом происходит ионизация (рис. 16.32).

Процесс выбивания быстродвижущимся свободным электроном при соударении у нейтрального атома одного или нескольких электронов называют ионизацией электронным ударом.

В результате вместо одного свободного электрона образуются два (налетающий на атом и вырванный из атома).

Эти электроны, в свою очередь, получают энергию в поле и ионизуют встречные атомы и т. д. Число заряженных частиц резко возрастает, возникает электронная лавина.

Но одна ионизация электронным ударом не может обеспечить длительный самостоятельный разряд. Действительно, ведь все возникающие таким образом электроны движутся по направлению к аноду и по достижении анода «выбывают из игры». Для существования разряда необходима эмиссия электронов с катода (напомним, что слово эмиссия означает «испускание»). Эмиссия электронов может быть обусловлена несколькими причинами. Положительные ионы, образовавшиеся при столкновении свободных электронов с нейтральными атомами, при своём движении к катоду приобретают под действием поля большую кинетическую энергию. При ударах таких быстрых ионов о катод с поверхности последнего выбиваются электроны.

Кроме того, катод может испускать электроны при нагревании его до высокой температуры. При самостоятельном разряде нагрев катода может происходить за счёт бомбардировки его положительными ионами, что происходит, например, при дуговом разряде.

Итак, в газах при больших напряжённостях электрических полей электроны достигают таких больших энергий, что начинается ионизация электронным ударом. Разряд становится самостоятельным и продолжается без внешнего ионизатора.

В разреженном газе самостоятельный разряд возникает при сравнительно небольших напряжениях. Благодаря малому давлению длина пробега электрона между двумя ударами велика, и он может приобрести энергию, достаточную для ионизации атомов. При таком разряде газ светится, цвет свечения зависит от рода газа. Свечение, возникающее при тлеющем разряде, широко используется для рекламы, для освещения помещения лампами дневного света.

Источник

§ 3.8. Несамостоятельный и самостоятельный разряды

Несамостоятельный разряд

Рассмотренный в предыдущем параграфе механизм прохождения электрического тока через газы при постоянном воздействии на газ внешнего ионизатора представляет собой несамостоятельный разряд, так как при прекращении действия ионизатора прекращается и ток в газе.

Исследуем зависимость силы тока от напряжения при несамостоятельном разряде в газе. Для этой цели удобно использовать стеклянную трубку с двумя впаянными в стекло металлическими электродами. Соберем цепь по схеме, изображенной на рисунке 3.15.

Пусть с помощью какого-нибудь ионизатора, например за счет воздействия рентгеновских лучей, в газе образуется ежесекундно определенное число пар заряженных частиц: электронов и положительных ионов.

При отсутствии напряжения на электродах (U = 0) гальванометр, включенный в цепь (см. рис. 3.15), покажет нуль (I = 0). При небольшой разности потенциалов между электродами трубки положительно заряженные ионы начнут перемещаться к отрицательному электроду (катоду), а электроны и отрицательно заряженные ионы — к аноду, т. е. возникнет газовый разряд.

Однако вследствие рекомбинации не все образующиеся под действием ионизатора ионы доходят до электродов. Часть их, рекомбинируя, образует нейтральные молекулы. По мере увеличения разности потенциалов между электродами трубки доля заряженных частиц, достигающих электродов, увеличивается, т. е. сила тока в цепи возрастает (рис. 3.16). Объясняется это тем, что при большем напряжении между электродами ионы движутся с большей скоростью, поэтому им остается все меньше времени для воссоединения в нейтральные молекулы.

Наконец, при некотором определенном напряжении наступает такой момент, при котором все заряженные частицы, образующиеся в газе ионизатором за секунду, достигают за это же время электродов. Дальнейшее увеличение напряжения уже не может привести к увеличению числа переносимых ионов. Ток, как говорят, достигает насыщения (рис. 3.16, горизонтальный участок графика).

Таким образом, вольт-амперная характеристика при несамостоятельном разряде в газах является нелинейной, т. е. закон Ома для газов выполняется только при малых напряжениях.

Самостоятельный разряд

Если после достижения насыщения продолжать увеличивать разность потенциалов между электродами, то сила тока при достаточно большом напряжении станет резко возрастать (рис. 3.17). Это означает, что в газе появляются дополнительные ионы сверх тех, которые образуются за счет действия ионизатора. Сила тока может возрасти в сотни и тысячи раз, а число заряженных частиц, возникающих в процессе разряда, может стать таким большим, что внешний ионизатор будет уже не нужен для поддержания разряда. Поэтому ионизатор можно теперь убрать. Поскольку разряд не нуждается для своего поддержания во внешнем ионизаторе, его называют самостоятельным разрядом.

Ионизация электронным ударом

Какова же причина резкого увеличения числа заряженных частиц при больших напряжениях?

Электрон, ускоряясь электрическим полем, на своем пути к аноду сталкивается с ионами и нейтральными молекулами. В промежутках между двумя последовательными столкновениями энергия электрона увеличивается за счет работы сил электрического поля. Чем больше разность потенциалов между электродами, тем больше напряженность электрического поля.

Кинетическая энергия электрона перед очередным столкновением пропорциональна напряженности поля и длине свободного пробега электрона (пути между двумя последовательными столкновениями):

Если кинетическая энергия электрона превосходит работу А_i, которую нужно совершить, чтобы ионизовать нейтральный атом (или молекулу), т. е.

то при столкновении электрона с атомом (или молекулой) происходит его (ее) ионизация, называемая ионизацией электронным ударом.

В результате столкновения электрона с атомом (рис. 3.18) образуется еще один электрон и положительный ион. Таким образом, вместо одной заряженной частицы появляются три — ион и два электрона. Эти электроны, в свою очередь, получают энергию в поле и ионизуют новые атомы и т. д. Вследствие этого число заряженных частиц очень быстро возрастает. Описанный процесс имеет сходство с образованием снежной лавины в горах и поэтому получил название электронной (или ионной) лавины.

Лавинообразное нарастание числа заряженных частиц в газе может начаться под действием сильного электрического поля, если в газе окажется хотя бы один электрон. Ионизатор в этом случае не нужен. Так, например, в окружающем нас воздухе всегда имеется некоторое число ионов и электронов, возникающих под действием радиоактивных излучений земной коры, ультрафиолетового и рентгеновского излучений Солнца, а также других излучений, проникающих в земную атмосферу из космического пространства.

Обратим внимание на то, что роль электронов и ионов в образовании лавинного разряда в газах неодинакова. Основную роль в ударной ионизации играют свободные электроны.

Объяснить это можно так. Положительные ионы, так же как электроны, движутся в поле с одинаковой напряженностью, но длина свободного пробега электронов больше длины свободного пробега положительных ионов. Поэтому кинетическая энергия, приобретенная электроном, согласно формуле (3.8.1), больше кинетической энергии положительного иона.

Однако более существенным является то, что из-за одновременного выполнения законов сохранения энергии и импульса лишь часть кинетической энергии при ударе может превратиться во внутреннюю энергию. Оказывается, что чем меньше масса ионизующей частицы по сравнению с массой молекулы, тем большая часть кинетической энергии этой частицы сможет превратиться во внутреннюю и израсходоваться на ионизацию. Поясним это подробнее.

Пусть ионизующая частица, масса которой m, имела перед ударом о покоящуюся молекулу массой М скорость ₁. Тогда кинетическая энергия этой частицы перед ударом равна:

Предположим для простоты, что скорости ионизующей частицы и молекулы после соударения примерно одинаковые. Тогда, согласно закону сохранения импульса,

где υ₂ — скорость частицы и молекулы после удара.

Изменение внутренней энергии ΔU равно потере кинетической энергии:

Выразив υ₂ из соотношения (3.8.3) и подставив в уравнение (3.8.4), получим:

Масса иона равна массе молекулы, следовательно, . Масса же электрона в несколько тысяч раз меньше массы молекулы. Поэтому в выражении (3.8.5) отношение и ΔU = W_k1. Таким образом, кинетическая энергия при соударении электрона с молекулой почти полностью может превратиться во внутреннюю, а при соударении иона с молекулой — наполовину. Итак, даже при одинаковой кинетической энергии электрон в качестве ионизатора оказывается эффективнее иона.

Но ионизация только электронным ударом не может обеспечить длительный самостоятельный разряд. Действительно, ведь все возникающие таким образом электроны движутся по направлению к аноду и по достижении анода «выбывают из игры». Для поддержания разряда необходима эмиссия электронов с катода («эмиссия» означает «испускание»). Эмиссия электронов может быть обусловлена несколькими причинами.

Положительные ионы, образовавшиеся при столкновении электронов с нейтральными атомами, при своем движении к катоду приобретают под действием поля большую кинетическую энергию. При ударах таких быстрых ионов о катод с поверхности катода выбиваются электроны.

Термоэлектронная эмиссия

Катод может испускать электроны при нагревании до высокой температуры. Этот процесс называется термоэлектронной эмиссией. Его можно рассматривать как испарение электронов из металла. Во многих твердых веществах термоэлектронная эмиссия происходит при температурах, при которых испарение самого вещества еще мало. Такие вещества и используют для изготовления катодов.

При самостоятельном разряде нагрев катода может происходить за счет бомбардировки его положительными ионами. Если энергия ионов не слишком велика, то выбивания электронов с катода не происходит и электроны испускаются вследствие термоэлектронной эмиссии.

Источник